基于模糊層次分析法優選桂林市小型工業鍋爐燃料

李小良 羅兆生 莫家國 李盛好 陶積勇 盧昌銳

（1.廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院桂林分院；2.桂林市淦隆環保科技有限公司）

目前，桂林市在用鍋爐約400臺，其中額定蒸發量1～4t/h的占比80%，因國家環保政策的實施，已經明令禁止受理安裝額定蒸發量20t/h以下的燃煤鍋爐，原有的額定蒸發量10t/h以下的燃煤鍋爐全部要求改燒生物質顆粒料或其他清潔能源，鍋爐的熱效率和排放須達到國家相關節能標準［1～3］和排放標準［4］，而且只要天然氣管道鋪設到鍋爐使用企業的附近，所有額定蒸發量10t/h以下的鍋爐都被要求改為燃氣鍋爐。 因此，生物質顆粒料也是過渡性的燃料。

鍋爐燃料的選擇是鍋爐運行成本的主要因素，也是投資者關注的重點，要綜合考慮國家政策、燃燒產物的環保性、鍋爐的熱效率、設備成本（包含搬遷或改造成本）、燃料成本、人工/維護成本 以 及 燃 料 的 安 全 性 等 因 素［5～11］，因 此 鍋 爐 燃 料的選擇是多目標多因素問題。 筆者采用模糊層次分析法［12～19］綜合考慮以上因素對鍋爐燃料進行優選， 優選出適合桂林市的在用小型工業鍋爐燃料。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法和層次分析法［20］都是定性與定量相結合的系統分析方法［12～14］，而前者由后者改進而來。 模糊層次分析法是經過一系列的分解、組合后，應用矩陣特征向量求解各組成元素的相對權重，遞階歸并各個備選方案對總目標層的相對權重，根據權重的大小優化或優選出最佳方案［12］。

1.1 建立層次結構模型

根據鍋爐燃料類型的不同屬性分解、組合成若干組，形成不同層次，建立優選鍋爐燃料的層次結構模型。 將鍋爐燃料優選模型作為目標層、鍋爐燃料特性作為準則層、燃料種類作為方案層的方式排列起來，而且采用該方法可以對多目標問題的決策進行評價與優選［12］。

1.2 建立模糊判斷矩陣

設元素a1，a2，…，an的優先關系矩陣為F={fij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n}。 將元素ai與元素aj進行比較時，用0～1標度對元素ai、aj具有的模糊關系的隸屬度進行定量描述［12］：

由此可建立模糊判斷矩陣F：

1.3 建立模糊一致判斷矩陣

而0～1標度構成的模糊矩陣， 各元素模糊關系的隸屬度滿足：fij+fji=1，fii=0.5， 即F為模糊互補矩陣［12］。 對模糊互補矩陣F進行按行求和，記為：

并施以數學變換［12］：

即可將模糊互補矩陣F轉換為對應的模糊一致判斷矩陣R［21］：

1.4 層次單排序

對于鍋爐燃料特性的任一元素而言，利用判斷矩陣計算出鍋爐燃料及其特性的各元素重要性的優先權重即為層次單排序，它是鍋爐燃料所有元素針對鍋爐燃料特性而言的重要性進行排序的結果。 同理，對鍋爐燃料優選模型而言，鍋爐燃料特性與鍋爐燃料優選模型的同層元素重要性的優先權重也稱之為層次單排序。 權重以W表示，計算公式為［12］：

1.5 層次總排序

式中 V——各種鍋爐燃料對優選鍋爐燃料模型的綜合權重；

W——各鍋爐燃料特性指標對鍋爐燃料優選模型的相對權重；

Wj——各種鍋爐燃料對鍋爐燃料特性指標的相對權重。

各種鍋爐燃料的綜合評價用V中的各個元素值的大小排序，根據層次總排序向量，即可選出最優的鍋爐燃料為［12］：

2 鍋爐燃料的優劣性量化

桂林市在用鍋爐燃料分別有： 生物質顆粒料、天然氣、柴油、醇基燃料、煤和電（因用電鍋爐成本太高，選擇電力鍋爐用戶過少，故不將此項列入比較）， 再綜合考慮桂林市在用鍋爐不同燃料的鍋爐排放環保性、熱效率、設備成本、燃料成本、人工/維護成本和安全性，歸納出桂林市在用鍋爐燃料的優劣性列于表1。

表1 鍋爐燃料的優劣性

根據桂林市在用鍋爐燃料的優劣性指標，令優為9、良為7、差為3，把表1中的5種燃料優劣性逐一量化，具體數值見表2。

表2 鍋爐燃料優劣性的量化值

3 優選鍋爐燃料

3.1 建立優選鍋爐燃料的層次結構模型

針對桂林市在用鍋爐燃料的選型問題，結合燃料類型的性能和期望達到的效果，對目前桂林市在用鍋爐的5種常用燃料進行優選， 考察鍋爐燃料的6種特性對5種鍋爐燃料的關系，建立的層次結構模型如圖1所示。

圖1 鍋爐燃料優選的層次結構模型

3.2 建立優選鍋爐燃料的模糊判斷矩陣

根據在用鍋爐燃料的特點、企業的需要和所期望達到的目的， 燃料指標的重要性排序為：鍋爐排放環保性>熱效率>設備成本>燃料成本>人工/維護成本>安全性。由式（1）、（2）可得模糊判斷矩陣F（鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優選模型）為：

根據表2， 建立鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6：

3.3 構建選型的模糊一致判斷矩陣

根據式（3）～（5）可得鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優選模型的模糊一致判斷矩陣R為：

用同樣的方法將鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6，轉換為鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標的模糊一致判斷矩陣R1、R2、R3、R4、R5、R6：

3.4 燃料類型的層次單排序

根據式（6）求得鍋爐燃料特性對鍋爐燃料優選模型的模糊一致判斷矩陣R的權重W為：

W=［0.217 0.197 0.177 0.157 0.137 0.117］T

同樣求得鍋爐燃料類型到鍋爐燃料特性指標的模糊一致判斷矩陣R1、R2、R3、R4、R5、R6對應的權重分別為：

3.5 燃料選型的層次總排序

由式（7）可以確定優選鍋爐燃料模型的層次總排序為：V=WjW

依據式（8）A=max{V1，V2，V3，V4，V5}=0.214，可確定醇基燃料的綜合權重最大，即桂林市在用小型工業鍋爐最優的燃料為醇基燃料。 5種鍋爐燃料的選型相對優先順序為：醇基燃料>天然氣>柴油>生物質顆粒料>煤。

綜合考慮不同燃料的鍋爐尾氣排放環保性、熱效率、設備成本、燃料成本、人工/維護成本和安全性后， 可優先選擇醇基燃料用于小型工業鍋爐。 醇基燃料比其他燃料更安全、經濟，完全可以實現安全、環保且節能的目的，而且后續若因環保政策的實施需改用其他的氣體或液體燃料時，只需改造燃燒器，改造成本較低。 因此，選用醇基燃料作為桂林市小型工業鍋爐的燃料是一個最優方案。

4 結論

4.1 利用模糊層次分析法建立桂林市小型鍋爐燃料的層次模型結構， 計算相對權重與綜合權重，根據綜合權重的大小，選出了桂林市小型工業鍋爐的最優燃料為醇基燃料。

4.2 選用醇基燃料作為桂林市小型工業鍋爐的燃料，可以實現安全、環保、節能且經濟的目的。

4.3 利用模糊層次分析法優選小型工業鍋爐燃料模式，在其他地區具有一定的參考及推廣價值。